ВАКУУМНЫЙ ФОТОЭЛЕМЕНТ

Простейший тип вакуумного фотоэлемента, действие которого основано на внешнем фотоэффекте, изображен на рисунке 6. Он представляет собой небольшой откачанный стеклянный баллон, одна половина которого покрыта изнутри чувствительным слоем. В зависимости от того, для какой спектральной области предназначен фотоэлемент, употребляют разные слои: серебряный, калиевый, цезиевый, сурьмяно-цезиевый и т.д. Этот слой служит катодом К. Анод обычно берется в виде кольца А. Между катодом и анодом с помощью батареи возбуждается разность потенциалов. При отсутствии освещения в цепи фотоэлемента тока нет. При попадании света на катод в цепи

возникает ток. Для увеличения чувствительности фотоэлемента его наполняют каким-либо инертным газом при небольшом давлении.

ВЕНТИЛЬНЫЙ ФОТОЭФФЕКТ

Фотоэлементы, основанные на фотоэффекте в запирающем слое, так называемом вентильном фотоэффекте, непосредственно превращают падающую на них лучистую энергию в электрическую, являясь, таким образом, генераторами электрической энергии, хотя очень малой мощности. Они не нуждаются в источнике внешнего напряжения, как фотоэлементы с внешним и внутренним фотоэффектом.

Возникновение вентильного фотоэффекта наблюдается в системах, состоящих из контактирующих друг с другом электронного и дырочного полупроводников. В этом случае на границе двух полупроводников с различными

механизмами проводимости возникает так называемый р-п переход вследствие взаимного проникновения основных носителей. Электрическое поле в этом слое направлено так, что противодействует дальнейшему переходу через слой основных носителей и способствует движению неосновных носителей (см. рис. 7). В результате установится равновесие I 0 = I н и тока через контакт не будет.

При освещении р -полупроводника светом освобождаются электроны и дырки. Освобождённые носители перемещаются из области, где они созданы и имеются в повышенном количестве, к местам, где их мало. Если расстояние от освещаемой поверхности до р-п перехода мало, все электроны, генерируемые светом, будут переходить в п -область. Дырки же, напротив, будут задерживаться контактным

полем и оставаться р -области. Происходит накопление основных носителей тока. Теперь I 0 не равно I н, т.е. через р-п переход в запорном направлении пойдет ток, который на сопротивлении р-п перехода создает разность потенциалов, уменьшая контактную разность потенциалов. Этот фототок равен I ф =en , где е - заряд электрона, n - число электронов (число пар), создаваемых светом в одну секунду. Параллельно с ростом концентрации носителей тока возрастает создаваемое ими электрическое поле, которое препятствует их дальнейшему переходу через запирающий слой. В некоторый момент наступает динамическое равновесие, т.е. число перемещающихся неосновных носителей тока через запирающий слой будет одинаковым в одном и другом направлениях, и между электродами устанавливается некоторая разность потенциалов, так называемая электродвижущая сила.

Основными изучаемыми характеристиками вентильных фотоэлементов являются вольтамперные, световые и спектральные характеристики.

Вольтамперные характеристики представляют собой зависимость фототока I Ф,генерируемого освещённым фотоэлементом, от приложенного напряжения U при включении его на различные нагрузочные сопротивления R (см. рис. 8). Точки пересечения вольтамперной характеристики с осью абсцисс дают электродвижущую силу фотоэлемента, а с осью ординат - величину тока короткого замыкания. Ток короткого замыкания пропорционален силе падающего света, а э.д.с. будет стремиться к насыщению при изменении освещённости фотоэлемента. Током короткого замыкания обычно определяется чувствительность фотоэлементов. Различают интегральную и спектральную светимость.

Интегральная чувствительность фотоэлемента г u - это отношение фототока короткого замыкания I к к падающему световому потоку белого света Ф:

Спектральная чувствительность - это отношение тока короткого замыкания I к к световому потоку монохроматического излучения Ф л с длиной волны л:

фотоэлектрический вакуумный вольтамперный вентильный

Характерно, что чувствительность резко зависит от спектрального состава излучения.

Спектральные характеристики выражают зависимость силы фототока на единицу энергии от длины волны падающего света. В большинстве случаев спектральная характеристика имеет один ярко выраженный максимум (см. рис. 9). Наиболее близкими по спектральной характеристике к человеческому глазу являются селеновые фотоэлементы, у которых максимум приходится на длину волны 0.59 мк.

Световые характеристики вентильных фотоэлементов выражают зависимость силы фототока (или - фотоэлектродвижущей силы) от величины падающего светового потока Ф. Эти зависимости отступают от линейности тем более заметно, чем больше величина сопротивления внешней цепи. Так из рисунка 10 видно, что с увеличением интенсивности светового потока величина фотоэдс возрастает, достигая насыщения при больших освещённостях.

Структура вентильного фотоэлемента схематически изображена на рисунке 11. Кристаллический селен (слой 3), из которого состоит основной слой полупроводника в селеновых фотоэлементах, имеет дырочную проводимость. На него наносится полупрозрачный слой металла (слой 1), атомы которого диффундируют в селен, поэтому приповерхностный слой селена приобретает электронную проводимость (слой 2). Свет, проходя через полупрозрачный слой металла 1 и тонкий запирающий слой 2, попадает в основной полупроводник 3, но не проникает глубоко вследствие поглощения. Возникающая фотоэдс снимается с металлических электродов 1 и 4.

Фотоэффект (как внешний, так и внутренний) используется в фотоэлектронных приборах (фотоэлементы, фотодиоды, фотосопротивления, фотоэлектронные умножители), получивших разнообразные применения в науке и технике (в телевидении, космической технике).

Вентильная фотоЭДС - ЭДС, возникающая в результате пространственного разделения электронно-дырочных пар, генерируемых светом в полупроводнике электрическим полем n-р перехода, гетероперехода, приэлектродного барьера. При вентильном фотоэффекте электрическое поле к фотоэлементу не прикладывается, т. к. они сами являются генераторами фотоЭДС. Характерной особенностью фотоэлементов с вентильным фотоэффектом является наличие запирающего слоя между полупроводником и электродом, который вызывает выпрямляющее действие данного слоя (рис. 1.17).

Слой полупроводника с вентильным фотоэффектом обладает не только сопротивлением, но и емкостью и является выпрямителем и источником ЭДС при его освещении светом. На рис. 1.17 пластинка Сu (4) является одним из электродов. Сверху она покрывается тонким слоем (2) закиси меди Сu 2 0 вследствие нагревания меди в воздухе при высокой температуре. Запирающий слой (3) образуется на границе Сu 2 0 и меди. Сверху наносится тонкий полупрозрачный слой золота (1). При освещении между электродами 1 и 4 возникает разность потенциалов.

Рис. 1.17

Если соединить эти электроды через гальванометр, то при падении света возникает фототок, направленный от меди к Сu 2 0. Фотопроводимость меднозакисных фотоэлементов вызвана движением дырок. Тонкий запирающий слой (d » 10 - 7 м) на границе металл - полупроводник вызывает запирающее действие фотоэлемента и возникновение фотоЭДС до 1 В. В этом случае лучистая энергия света непосредственно переходит в электрическую. КПД фотоэлемента ~2,5%.

Эффект Комптона

Явление Комптона состоит в увеличении длины волны рентгеновских лучей при их рассеянии на атомах вещества, которое сопровождается фотоэффектом. С точки зрения классической волновой теории длина волны рассеянного излучения должна равняться длине волны падающего.

Схема опыта Комптона приведена на рис. 1.18, где S - источник рентгеновского излучения; D 1 и D 2 - диафрагмы, формирующие узкий пучок рентгеновских лучей; А - вещество, рассеивающее рентгеновские лучи, которые затем попадают на спектрограф С и фотопластинку Ф.

Явление Комптона характеризуется следующими закономерностями:

1. Зависит от атомного номера вещества. 2. При увеличении угла рассеяния интенсивность комптоновского рассеяния возрастает. 3. Смещение длины волны возрастает с увеличением угла рассеяния.

4. При одинаковых углах рассеяния смещение длины волны одно и

При взаимодействии рентгеновского фотона с электроном последний получает энергию (W) и импульс (р = mv) покидает атом (электрон отдачи), а энергия и импульс рассеянного фотона уменьшаются (рис. 1.19).

Для нахождения изменения длины волны рассеянного фотона в эффекте Комптона применим закон сохранения импульса

и закон сохранения энергии

W ф + W 0 = W + ,

где полная энергия частицы

.

Из закона сохранения импульса находим импульс частицы (электрона).

Например, согласно рис. 1.19 (теорема косинусов)

Учитывая релятивистский характер движения для фотона, имеем

W ф = hn= р ф с.

С учетом этого закон сохранения энергии представим в виде

Решив совместно (6.18) и (6.19) и после возведения в квадрат получаем

, (1.34)

(1.35)

Импульсы падающего и рассеянного фотонов; j - угол рассеяния;

с - скорость света; h - постоянная Планка.

Используя связь длины волны с частотой в виде:

и

Вентильным фотоэффектом называется возникновение электродвижущей силы при поглощении квантов излучения оптического диапазона в системе, содержащей контакт двух примесных полупроводников с различным типом проводимости или в системе полупроводник - металл.

На рис. 3 показана энергетическая диаграмма p-n перехода без освещения (E c , E v и E F - энергии дна зоны проводимости, потолка валентной зоны и уровня Ферми, соответственно, E g -ширина запрещенной зоны).

Рис.3. Энергетическая диаграмма p-n перехода без освещения.

Рис.4. Энергетическая диаграмма p-n перехода при освещении.

При освещении такой системы фотонами с энергией hn > E g , поглощенный свет переводит электроны из валентной зоны в зону проводимости. При этом в валентной зоне образуются дырки, т.е. происходит генерация электронно - дырочных пар (рис.4). Поведение неравновесных носителей зависит от того, в какой области системы поглощается излучение. Для каждой области важным является поведение неосновных носителей, поскольку именно их плотность может изменяться в широких пределах при освещении. Плотность же основных носителей с обеих сторон границы раздела полупроводников практически остается неизменной. Если излучение поглощается в p-области, то электроны, находящиеся от p-n перехода на расстоянии, меньшем диффузионной длины пробега, смогут достигнуть его и под действием контактного электрического поля перейдут в n-область.

Аналогично, если излучение поглощается в n-области, то через p-n переход в p-область выбрасываются только дырки.

Если же пары генерируются в области объемного заряда (р-n перехода), то поле "разводит" носители зарядов таким образом, что они оказываются в той области, где являются основными.

Итак, образованные светом пары, будут разделяться. При этом электроны концентрируются в n-полупроводнике, а дырки - в p-полупроводнике, т.е. p-n переход играет роль "стока" неосновных носителей заряда.

Это накопление зарядов не может продолжаться бесконечно: параллельно с возрастанием концентрации дырок в p-полупроводнике и электронов в n-полупроводнике, возрастает созданное ими электрическое поле, которое препятствует дальнейшему переходу неосновных носителей через запирающий слой.

По мере возрастания этого поля увеличивается и обратный поток неосновных носителей. В конце концов наступит динамическое равновесие, при котором число неосновных носителей, перемещающихся за единицу времени через запирающий слой, сравняется с числом тех же носителей, перемещающихся за тот же промежуток времени в обратном направлении.

ФОТОЭФФЕКТ ВЕНТИЛЬНЫЙ

фотоэффект в запирающем слое, - возникновение под действием электромагнитного излучения электродвижущей силы (фотоэдс) в системе, состоящей из двух контактирующих разных ПП или из ПП и металла. Наибольший практич. интерес представляет Ф. в. в р - я-переходе и гетеропереходе. Ф. в. используют в фотоэлектрич. генераторах, в ПП фотодиодах, фототранзисторах и т. д.

• - Б., при котором проходимость бронха сохраняется в фазе вдоха н полностью нарушается в фазе выдоха...

  Большой медицинский словарь

• - разрядник, предназначенный для защиты изоляции электрооборудования от атм. и коммутац. перенапряжений; представляет собой ряд искровых промежутков, последовательно с к-рыми включены нелинейные резисторы...

  Большой энциклопедический политехнический словарь

• - электропривод, в к-ром для питания двигателя и регулирования его угловой скорости используется преобразователь на управляемых электрич. вентилях...

  Большой энциклопедический политехнический словарь

• - испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения...

  Энциклопедический словарь по металлургии

• - устройство для преобразования электрического тока с помощью электронных или ионных вентилей электрических...
• - Разрядник, предназначенный для защиты электрооборудования сетей переменного тока от различных перенапряжений...

  Большая Советская энциклопедия

• - испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Ф. был открыт в 1887 Г. Герцем. Первые фундаментальные исследования Ф, выполнены А. Г. Столетовым...

  Большая Советская энциклопедия

• - группа явлений, связанных с "освобождением" электронов твердого тела от внутриатомной связи под действием электромагнитного излучения...

  Современная энциклопедия

• - электропривод, в котором регулирование режима двигателя производится с помощью управляемых вентильных преобразователей: выпрямителя, преобразователя частоты, регулятора постоянного...
• - явление, связанное с освобождением электронов твердого тела под действием электромагнитного излучения. Различают:..1) внешний фотоэффект - испускание электронов под действием света, ?-излучения и др.;....

  Большой энциклопедический словарь

• - ...
• - ВЕ́НТИЛЬ, -я, м. ...

  Толковый словарь Ожегова

• - ...

  Орфографический словарь-справочник

• - в"...

  Русский орфографический словарь

• - ...

  Формы слова

• - прил., кол-во синонимов: 1 клапанный...

  Словарь синонимов

"ФОТОЭФФЕКТ ВЕНТИЛЬНЫЙ" в книгах

Вентильный электропривод

Из книги Большая энциклопедия техники автора Коллектив авторов

Вентильный электропривод Вентильный электропривод – это электропривод, питающий электродвигатель и регулирующий его угловую скорость в преобразователях на управляемых электрических вентилях. Данный электропривод питает асинхронные и синхронные двигатели

Вентильный преобразователь

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ВЕ) автора БСЭ

Разрядник вентильный

Из книги Большая Советская Энциклопедия (РА) автора БСЭ

Ядерный фотоэффект

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ЯД) автора БСЭ

Фотоэффект

БСЭ

Фотоэффект внешний

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ФО) автора БСЭ

Фотоэффект внутренний

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ФО) автора БСЭ

Глава 20 Фотоэффект в энергетике

Из книги Новые источники энергии автора Фролов Александр Владимирович

Глава 20 Фотоэффект в энергетике Фотоэффектом называется испускание веществом электронов под действием электромагнитного излучения. В 1839 году Александр Беккерель наблюдал явление фотоэффекта в электролите. В 1873 году Виллоби Смит обнаружил, что селен является

§ 4.3 Фотоэффект

автора

§ 4.3 Фотоэффект При такой ситуации естественно предположить, что источник энергии отрывающихся от металла электронов заключён всё же не в лучах, а в самом металле. Что касается лучей, они лишь освобождают её, служат своего рода запалом - ведь одной искры бывает довольно,

§ 4.4 Селективный фотоэффект

Из книги Баллистическая теория Ритца и картина мироздания автора Семиков Сергей Александрович

§ 4.4 Селективный фотоэффект Селективность фотоэлектрических явлений очень напоминает резонансные эффекты. Дело происходит так, как будто электроны в металле обладают собственным периодом колебаний, и по мере приближения частоты возбуждающего света к собственной

§ 4.5 Нелинейный фотоэффект

Из книги Баллистическая теория Ритца и картина мироздания автора Семиков Сергей Александрович

§ 4.5 Нелинейный фотоэффект Вот уже более пятнадцати лет развивается новое научно-техническое направление, связанное с умножением оптических частот (применяется также термин "генерация оптических гармоник": второй гармоники, третьей, четвёртой и т. д. - в зависимости от

§ 4.6 Обратный фотоэффект, фотоионизация и солнечные батареи

Из книги Баллистическая теория Ритца и картина мироздания автора Семиков Сергей Александрович

Цель работы: ознакомление с вентильным фотоэлементом, исследование вольт-амперных характеристик его.

Задача: снять семейство вольт-амперных характеристик при различных освещенностях, определить оптимальные нагрузочные сопротивления и оценить КПД фотоэлемента.

Приборы и принадлежности: , кремниевый фотоэлемент, магазин сопротивлений, милливольтметр, миллиамперметр.

ВВЕДЕНИЕ

Вентильный фотоэффект заключается в возникновении фото-ЭДС в вентильном, т. е. выпрямляющем, контакте при его освещении. Наибольшее практическое применение имеет вентильный фотоэффект, наблюдаемый в р- n-переходе. Такой переход возникает обычно во внутренней области кристаллического полупроводника, где меняются тип легирующей примеси (с акцепторной на донорную) и связанный с этим тип проводимости (с дырочной на электронную).

Если контакт между полупроводниками р - и n-типа отсутствует, то уровни Ферми на их энергетических схемах (рис. 1) расположены на разной высоте: в р-типа ближе к валентной зоне, в n-типа ближе к зоне проводимости (работа выхода из р-полупроводника А2 всегда превышает работу выхода из n-полупроводника А1).

https://pandia.ru/text/78/022/images/image006_62.gif" width="12" height="221">Вольт-амперная характеристика неосвещенного р - n-перехода представлена на рис. 3 (кривая 2). Она описывается выражением где JS – ток насыщения неосвещенного р - n-перехода; k – постоянная Больцмана; е – заряд электрона; Т – температура; U – внешнее напряжение. Знак «» относится соответст-

венно к прямому или обратному нап-

равлению внешнего поля.

Если освещать фотоэлемент со стороны р-области, то фотоны света, поглощаясь в тонком поверхностном слое полупроводника, будут передавать свою энергию электронам валентной зоны и переводить их в зону проводимости, тем самым образуя в полупроводнике свободные электроны и дырки (фотоэлектроны и фотодырки) в равных количествах. Образованные в р-области фотоэлектроны являются здесь неосновными носителями. Двигаясь по кристаллу, они частично рекомбинируют с дырками. Но если толщина р-области мала, то значительная часть их доходит до р - n-перехода и переходит в n-область полупроводника, образуя фототок Jф, текущий в обратном направлении. Фотодырки так же, как и собственные дырки, не могут проникнуть в n-область, так как для этого они должны преодолеть потенциальный барьер в области р - n-перехода. Таким образом, р - n-переход разделяет фотоэлектроны и фотодырки.

Если цепь разомкнута, то фотоэлектроны, перешедшие в n-область, создают там избыточную по отношению к равновесной концентрацию электронов, тем самым заряжая эту часть полупроводника отрицательно. Фотодырки заряжают р-область положительно. Между обеими частями полупроводника возникает разность потенциалов, которую называют фото-ЭДС. Возникшая фото-ЭДС приложена к р - n-переходу в прямом (пропускном) направлении, поэтому высота потенциального барьера соответственно уменьшается. Это в свою очередь вызывает появление так называемого тока утечки Jу, текущего в прямом направлении. Величина фото-ЭДС растет до тех пор, пока возрастающий ток основных носителей не скомпенсирует фототок.

Если замкнуть р - n-переход на нагрузочное сопротивление rн (рис. 4), по цепи пойдет ток J, который можно представить как сумму двух токов:

J = Jф – Jу. (2)

Ток утечки Jу рассчитывается по формуле (1) для неосвещенного р - n- перехода, когда к нему приложено внешнее напряжение Uн = J rн в прямом направлении:

https://pandia.ru/text/78/022/images/image012_31.gif" width="25" height="28 src=">~ Ф. (3)

В режиме холостого хода цепь разомкнута (rн = https://pandia.ru/text/78/022/images/image014_26.gif" width="147" height="57 src=">, (4)

откуда следует, что

https://pandia.ru/text/78/022/images/image013_28.gif" width="19" height="15 src=">). При изменении внешней нагрузки от 0 до получаем участок ав , который и представляет собой собственно вольт-амперную характеристику р - n-перехода в фотогальваническом режиме при постоянном световом потоке. Участок вс характеризует работу фотоэлемента при подаче на р - n-переход прямого внешнего напряжения, участок а d – обратного внешнего напряжения (фотодиодный режим работы).

При изменении светового потока вольт-амперные характеристики смещаются, форма их изменяется. Семейство вольт-амперных характеристик вентильного фотоэлемента в фотогальваническом режиме при различных освещенностях представлено на рис. 5.

https://pandia.ru/text/78/022/images/image017_20.gif" width="231" height="12">

Прямые, проведенные из начала координат под углом α, определяемым величиной сопротивления нагрузки (ctg α = rн), пересекают характеристику в точках, абсциссы которых дают падение напряжения на нагрузке, а ординаты – ток во внешней цепи (U1 = J1 r1). Площадь, заштрихованная на рисунке, пропорциональна мощности Р1, выделяемой на нагрузке rн1:

https://pandia.ru/text/78/022/images/image020_15.gif" width="136" height="52 src=">, (7)

где https://pandia.ru/text/78/022/images/image022_14.gif" height="50">.gif" width="12">

https://pandia.ru/text/78/022/images/image026_13.gif" width="21" height="12"> https://pandia.ru/text/78/022/images/image031_11.gif" width="12" height="31"> кремния n-типа, вырезанную из монокристалла, на поверхности которой путем прогрева при температуре ~ 1200 0С в парах ВСl3 сформирована тонкая пленка 2 кремния р-типа. Контакт внешней цепи с р-областью осуществляется через металлическую полоску 3 , напыленную на ее поверхность. Для создания контакта 4 с n-областью часть наружной пленки сошлифовывается.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание 1. Снятие вольт-амперной характеристики вентильного фотоэлемента

1. Изучив данное методическое пособие, внимательно ознакомиться с установкой.

2. Изменяя сопротивление rн от 10 до 900 Ом, при постоянной освещенности снять 8 – 10 значений напряжения и тока, (расстояние от источника света до фотоэлемента l = 5 см).

3. Повторить выполнение п. 2 для l = 10 и 15 см.

4. Построить семейство вольт-амперных характеристик.

Задание 2. Исследование вольт-амперных характеристик вентильного фотоэлемента

1. Для каждой освещенности из соответствующей вольт-амперной характеристики определить максимальную мощность фототока Рmax и для этого случая по формуле (7) рассчитать КПД фотоэлемента. Освещенность Е вычисляется через силу света Jл источника и расстояние l по формуле .

2. Зная Рmax для всех освещенностей, рассчитать по формуле (6) оптимальные нагрузочные сопротивления rн. опт. Построить график rн. опт = f(E).

3. Построить графики Jк. з = f(E) и Ux. x = f(E).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. В чем заключается явление внутреннего фотоэффекта?

2. В чем состоит отличие полупроводника n-типа от полупроводника р-типа?

3. Как достигается нужный тип проводимости полупроводника?

4. Нарисуйте энергетическую схему полупроводников n - и р-типа.

5. Объясните механизм возникновения контактной разности потенциалов р - n-перехода.

6. Объясните механизм действия р - n-перехода как выпрямителя переменного тока.

7. Как устроен вентильный фотоэлемент?

8. Каково назначение вентильного фотоэлемента?

9. Можно ли вентильный фотоэлемент использовать в качестве детектора ионизирующих излучений?

10. Где находят применение вентильные фотоэлементы?

11. Каков механизм возникновения фото-ЭДС вентильного фотоэлемента?

12. Что такое уровень Ферми?

13. Назовите несколько причин сравнительно низкого КПД вентильных фотоэлементов.

14. Назовите преимущество вентильных фотоэлементов как источников электрической энергии перед другими, известными вам.

15. Каковы трудности широкого использования вентильных фотоэлементов? Перспективы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Трофимова физики. М.: Высш. шк., 19с.

2. Лабораторный практикум по физике / Под ред. . М.: Высш. шк., 19с.